海洋钻井平台井架应用及发展浅谈.pdf

doi10. 16576/ j. cnki. 1007-4414. 2015. 06. 074 海洋钻井平台井架应用及发展浅谈 * 向小荣, 赵世刚, 庞世强 兰州兰石能源装备工程研究院有限公司 青岛分公司,山东 青岛摇 266520 摘摇 要随着海洋钻井技术的发展和要求,海洋钻机作业领域从浅海逐渐向深海发展,从 1 000 3 000 m 的浅井逐渐 向万米深井方向发展。 井架是钻机的重要组成部分。 海洋钻机的井架相比于陆地钻机,其结构更加复杂,工作环境更 恶劣,因此海洋钻机井架位顺应工作环境的变化,结构形式也在不断变化。 主要介绍了几种海洋钻机井架的结构特 点及其适应的工作环境,提出了未来海洋钻机井架的发展趋势。 关键词海洋钻井平台;井架;应用;发展 中图分类号TE951摇 摇 摇 摇 摇 摇 文献标志码A摇 摇 摇 摇 摇 摇 文章编号1007-4414201506-0192-03 Discussion on Application and Development of Derrick on the Offshore Drilling Plat XIANG Xiao-rong, ZHAO Shi-gang, PANG Shi-qiang Qingdao Branch of Lanzhou Lanshi Energy Equipment Engineering Research Institute Co. , Ltd, Qingdao Shandong摇 266520, China Abstract Along with the development of offshore drilling technology and requirements, the operational field of offshore drill鄄 ing is gradually developed from the shallow to the deep sea, from 1000-3000 meters to ten thousand deep. Derrick is an im鄄 portant part of the offshore drilling rig. Compared with the land rig, the structure of derrick is more complex, and the working environment is even bad, so the structural of the derrick on offshore rig is constantly changing with the working environ鄄 ment. In this paper, the structural characteristics and the adaptive working environment of several offshore drilling rigs are mainly introduced, and then the development trend of future offshore drilling rig is put forward. Key words offshore drilling plat; derrick; application; development 0摇 引摇 言 石油作为一种不可再生资源,是国民经济发展中 的重要能源,因此世界上许多国家都在进行石油的勘 探和开采。 由于地球表现的 2/3 都被海洋覆盖,目前 已探明的世界海洋石油资源占全球石油资源的 34, 其中已探明储量约为380 亿吨。 因此石油的开采也从 陆地转向海洋,并且从浅海转向深海,全球对深海进行 勘探的有50 多个国家。 未来世界海洋的油气产量还 将稳步上升,成为世界油气产量增长的源泉。 我国也有丰富的石油资源,钻井采矿已有数千年 历史,早在明代正德末年公元 1521 年,嘉州今四 川乐山一带地区用顿钻打出一口深达 1000 余米的 井,并采出石油;公元 1 世纪就有陕西的鸿门火井,但 是深井钻井起步却较晚,到目前无论是陆地钻井还是 海洋钻井,在钻井深度方面都落后于其他国家。 要想 在海洋石油开采领域占有一席之地,必须有自己先进 的开采设备。 海洋钻井平台是石油勘探、开发的必备 装备,而井架作为海洋钻井平台上的重要部件,也越 来越受到大家的重视。 1摇 海洋钻井平台井架应用要求 海洋钻井平台用井架主要用来安装天车、井架附 件、存放立根等。 作业时,井架能悬挂游车、大钩、顶 驱、钻具并承受一定载荷。 所以对海洋钻井平台配套 井架应用要求是能承受最大钩载、立根载荷等的组合 载荷,同时要求井架具有足够的作业空间[1]。 2摇 海洋钻井平台主要井架形式 2. 1摇 带辅助作业平台的井架 为了提高作业效率,可对现有的海洋钻井平台进 行改造,即在普通塔架上增加外挂式辅助作业平 台[2-3]。 这种外挂式的辅助作业平台设计有 1 号鼠 洞和 2 号鼠洞孔如图 1,1 号鼠洞为半开口设计, 下端离自升式平台上甲板有一定的高度;2 号鼠洞为 全闭口的设计,高度与 1 号鼠洞一致。 辅助作业平台 可利用这两个鼠洞来进行离线接单根,接好的单根由 1 号鼠洞运送到立根盒。 由于接好的单根较长,要送 至立根盒存放,就需要将靠近井口辅助平台的一侧井 架进行改造如图 2。 对现有平台来说,配置这种辅助作业平台虽然能 够提高作业效率,但是增加辅助平台的同时还要拆除 旧塔架,安装新的塔架。 新塔架比原有塔架多了前开 口结构改造,使得塔架的强度和稳定性降低,必须进 行强度校核并对塔架结构进行优化。 因此对现有平 台进行此类改造时,应从平台的使用年限、改造成本、 效率提高率等几方面综合评估改造的可行性。 而对 291 行业发展综述摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇2015 年第 6 期 第 28 卷,总第 140 期机械研究与应用 *收稿日期2015-08-28 作者简介向小荣 1981-,女,甘肃庆阳人,工程师,主要从事石油钻机装备的研发设计工作。 于新建造的平台,特别是超深井海洋钻井平台,要提 高作业效率可从其他方面考虑,不需要增加这种辅助 平台,并且塔架的高度、跨距和重量都较大,也不适宜 采用这种前开口的改造塔架。 图 1摇 辅助作业平台摇 摇 摇 摇 图 2摇 井架改造前后 2. 2摇 自升式井架 海洋钻井平台上的自升式井架结构与陆地 K 型 井架结构相似,主体分成 4 5 段如图 3,但起升方 式和普通 K 型井架有很大差别。 自升式井架起升 前,先将底段和起升工装安装在平台上,再将顶段放 在起升工装上,顶段上安装有天车,通过起升装置将 底段和天车起升到位后,将与顶段相邻的一段套装在 底段内部中心,连接固定,再通过起升装置起升这一 段。 同理依次从上向下安装各段并起升[4-5]。 图 3摇 自升式井架 摇 摇 海洋钻井平台使用自升式井 架时需要的安装空间小,不用大 型吊机配合安装,可利用钻台面 的绞车完成井架的起升工作。 并 且井架可进行模块化设计,实现 拆装快速化及海运方便等优点, 节省了作业资源、工期和费用。 目前这种井架已在 9000 米钻深 的海洋钻井平台得到应用。 但是 这种井架的整体刚度和稳定性相 对较差,而且它的结构域陆地钻 机的井架结构相似,立根盒位于井架空间的外面,影 响司钻观察坡道上的作业情况。 海上作业环境对井 架的防腐蚀性要求高,这种模块化设计的井架要求进 行防腐措施,对井架的各模块设计的尺寸有限制要 求,因此对于海洋的特深井钻机来说,使用自升式井 架还要从结构稳定性,制造工艺性及安装效率等几方 面综合考虑。 2. 3摇 塔形井架 塔形井架本体是封闭的整体结构,井架所有杆件 型心相交。 井架立柱和横、斜杆通过连接角钢和高强 度螺栓群组连接成一个整体,在降低安装难度的同时 提高了过渡部位的强度和刚度。 目前普遍采用的一 种塔型井架为单斜式塔形井架如图 4,即绞车面从 钻台处倾斜至天车,其余三面从二层台处倾斜至天 车;也有一些塔架设计成从钻台面倾斜至二层台,再 从二层台倾斜至天车。 单斜式塔形井架的结构不仅 满足了立根排放及顶驱安装要求,而且减小了井架横 截面的尺寸,减轻了重量[6]。 塔形井架在海洋钻井平台的使用非常广泛,从浅 海到深海,从浅井到深井。 塔形井架的强度高,结构 稳定性好,抗震能力和抗风载能力较强,同时由于底 部开档较大,使得井口活动范围大、立根容量足,司钻 视野开阔,但是整个结构连接件较多,安装和制造相 对复杂,计算难度大。 2. 4摇 一个半塔架 一个半井架就是在单井架的基础上将井架内部 向一边扩展半个井架的空间,作为预接钻柱使用,以 减少钻前准备时间,提高作业效率如图 5。 原有的 一个作业中心进行正常起下钻工作,两个鼠洞用来 接、卸立根盒套管以及悬持隔水管等,同时配备预接 钻柱用的自动管子处理系统[7]。 前文中提到的辅助 作业平台实际就是讲一个半塔架中多出的半个塔架 区域的作业功能转移至辅助平台上。 图 4摇 单斜式塔形井架摇图 5摇 一个半塔架 摇 摇 一个半塔架目前在自升式平台、半潜式平台以及 钻井船都得到应用,成为一种提高作业效率的主要手 段,它相对普通塔架的作业效率提高 17。 由于钻 台面增加了预接钻柱的区域,使得井架跨距和钻塔面 积都增大,相应重量也增加,并且使用一个半塔架必 须配置系列的自动管具处理系统,来实现提高作业效 率的目的。 2. 5摇 双联井架 双联井架就是采用两个单井架的空间,两套游动 系统,并利用两个井口同时进行作业如图 6。 一套 起升系统用于载荷相对较小的正常钻井的起下钻,另 一套起升系统用于速度相对较慢的起升和下放隔水 管与防喷器[7]。 391 机械研究与应用2015 年第 6 期 第 28 卷,总第 140 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 行业发展综述 双联井架主要在半潜式平台和钻井船上应用。 它有两套提升系统和两个井口可同时作业,作业效率 相对普通塔架可提高 23。 为了满足两套起升系统 都顺利工作,井架需要配置两套自动管具处理系统, 井架四周均设置相应的钻具操作区域,因此井架的跨 距,钻台面积以及整个钻井系统的重量都相应增大。 由于双井口的作业概念已有专利注册,新建平台在选 择使用双联井架时应从作业效率、建造成本、结构稳 定性以及专利附带的风险支出等多方面综合考虑。 2. 6摇 DMPT 箱式井架 DMPT 即 double multi-purpose tower如图 7,它 的设计理念是以井架的基本功能--悬挂游动系统为 出发点,对井架的外形进行变化,采用箱式结构代替 了传统的框架式井架。 两套游动系统悬挂在箱式井 架的外部,立根盒也在箱式井架的外部,因此立根容 量设计时可不受常规井架外形及跨距限制。 井架还 配置双滚筒绞车和分体游车,来提高作业效率。 摇 图 6摇 双联井架摇 摇图 7摇 DMPT 箱式井架 摇 摇 DMPT 箱式井架目前在自升式平台、半潜式平台 以及钻井船都有应用。 这种箱式井架占地面积较小, 没有 V 型门高度限制,由于防喷器和采油树的操作 程序发生改变,结构设计时可取消底座,钻台与甲板 共面,因此有足够的钻台空间供设备摆放和操作。 3摇 海洋钻井平台井架的发展 1 对自升式井架进行结构强化和优化,使之用 于特深井海洋钻井平台,特别是自升式钻井平台,来 缩小钻台面积,减少钻台及悬臂梁承受的重量。 2 发展可预接钻柱的塔架,使之具有一个半塔 架的功能,又兼顾跨距较小,重量轻的优点,提高作业 效率的同时控制钻台和悬臂梁承受的重量。 3 发展新型的箱式井架。 这种井架的使用不 受海洋钻井平台的限制,并且钻台面积宽裕,配置的 双滚筒绞车可以同时工作,提升速度远高于一个绞车 单独工作。 分体游车可实现快速换绳,提升能力和提 升速度也随之提高或降低。 4 发展带有自动管具处理系统的井架配套设 备。 自动管具处理系统是钻井作业自动化操作的关 键部分。 要提高钻井作业效率,不仅仅是减少起下钻 作业的时间,钻杆、套管和隔水管的搬运和排放也严 重影响着钻井计划。 因此在钻井的同时离线接立根、 自动传送和排放钻杆等操作也会大大节省钻井时间, 提高整体作业效率[8]。 4摇 结摇 语 海洋钻机上的井架类型多变,不同的海域环境, 不同的平台形式选择的井架也不同。 从传统的塔形 井架到节省安装空间的自升式井架,还有根据新型钻 井工艺改造的一个半塔架和双联井架,以及新式的箱 式井架,都有各自的优势及其使用领域。 从目前石油储量的地域以及深度分析来看,发展 适合海洋超深井钻机的井架是必要的淤对现有自升 式井架的结构强化和优化,使之能够用于超深井钻 机;于配合新的钻井工艺开发新型的可预接钻柱。 提 高作业效率的特殊塔架;盂配备自动化的管具处理系 统。 根据目前世界的海洋钻井平台发展现状以及我 国的海洋平台制造技术现状,我们应积极开发出适用 于12 000 m 钻深的自升式平台和15 000 m 钻深的半 潜式平台用井架类型。 参考文献 [1]摇 李继志. 石油钻采机械概论[M]. 北京中国石油大学出版社, 2009. 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